Qualität der Silizium Sensor Module für die CMS Tracker End Caps

Präsentation zum Thema: "Qualität der Silizium Sensor Module für die CMS Tracker End Caps"—  Präsentation transkript:

1 Qualität der Silizium Sensor Module für die CMS Tracker End Caps
HEPHY Wien Josef Hrubec Manfred Krammer Marko Dragicevic Stephan Hänsel Thomas Bergauer

2 Die TEC Module

3 Die TEC Kollaboration Rahmen Produktion – 5 Institute
Benötigte Module TEC (exklusive 6% Spares): R1N: 144 R1S: 144 R2N: 288 R2S: 288 R3: 640 R4: 576 R4A: 432 R5N: 720 R5S: 720 R6: 864 R6A: 144 R7: 1440 Gesamt TEC: 6400 Rahmen Produktion – 5 Institute Hybrid Produktion – 6 Institute Modul Produktion – 14 Institute Petal Produktion – 7 Institute TEC Zusammenbau – 2 Institute Keine leichte Aufgabe die Modul Produktion zentral von Wien aus zu koordinieren!

4 CERN TK ASSEMBLY TOB assembly TIB/TID assembly TEC assembly
CF plates: FactoryBrussels FE-APV: Factory  IC,RAL Control ASICS: Factory  Comany (QA) Kapton: FactoryAachen, Bari CF cutting Factory CF cutting Factory Sensors: Factories Hybrids: Pitch adapter: Frames: Brussels,Pisa, Pakistan Factory-Strasbourg Factories Brussels CERN Pisa Louvain Karlsruhe Sensor QAC Rochester Perugia Wien Karlsruhe Module assembly FNAL UCSB Perugia Bari Wien Lyon Brussels Bonding & testing FNAL UCSB HH Padova Pisa Torino Bari Firenze Wien Zurich Strasbourg Karlsruhe Aachen Integration into mechanics ROD INTEGRATION TIB+TID INTEGRATION - Louvain PETALS INTEGRATION Aachen Florence FNAL UCSB Pisa Torino Brussels Lyon Hamburg Strasbourg Karlsruhe TOB assembly TIB/TID assembly TEC assembly TEC assembly Sub-assemblies CERN Pisa Aachen TK ASSEMBLY CERN TIF

5 Tests vor dem Zusammenbau
Sensor Tests (siehe Talk von T.Bergauer) Test der Kapton Rahmen: - Messung der Kapazitäten und Widerstände (Anschluss der Hochspannung, backplane Isolation, Thermistoren) Front End Hybrid Tests: Optische Inspektion Elektrischer Test

6 Der Front End Hybrid Pitch Adapter
6 APV25 Auslese Chips ● strahlungsharte kommerzielle 0.25 mm CMOS Technologie ● 128 Kanäle pro APV Feindraht Bonds Pitch Adapter 4 lagiges Kapton Substrat auf Keramikträger laminiert 2:1 Multiplexer ● 2 APVs werden zu einem Kanal gebündelt Detector Control Unit (DCU) ● Hybrid und Sensor Temperatur, low voltages, leakage current PLL Chip ● entschlüsselt Clock & trigger Signal

7 Hybrid Probleme + Lösungen
1.) Kapton Kabel nicht ausreichend unterstützt -> neues Layout des Rigidifiers 2.) unterbrochene via Verbindungen von 100 mm zu 120 mm zusätzliche Kapton Schicht altes Design Bad via neues Design

8 Modul Zusammenbau in Wien
Koordinatenmessmaschine ermöglicht eine auf mm genaue Ausrichtung der einzelnen Teile Widerstände + Kapazitäten + Thermistoren Stiffener Backplane HV-Verbindung Support Plättchen Vakuum Anschluss Poröse Fläche -> Fixierung aller Teile Präzisionstisch Karbon Rahmen

9 Zusammenbau – Qualität gesamt TEC

10 Feindraht Bonden in Wien
Delvotec 6400 Wire Bonder Pulltest: Pullforce > 6g 25 μm Aluminium Draht

11 Backplane HV – Problem + Lösung
Normale Backplane-HV Verbindung mit mind. 5 Punkten Leitkleber (EPO-TEK EE 129-4) Einzelne Module mit einem Widerstand > 1MW (sollte < 1W sein) und allgemeiner Trend einer Vergrößerung des Widerstandes durch Thermal Cycles → Verstärkung mit zusätzlicher Kleberfläche Keine Verschlechterung mehr Zusätzliches Bonden um 100%ige Sicherheit zu erlangen

12 Teststand in Wien ARCs Teststand
LED16 controller DEPletion Power board Power Supply ARC Board NIM Crate Trockenluft Standard PC Testbox Trockenluft - Lichtdicht - EM-Schild Modul Transportbox

13 Thermal Cycle (-15° bis +30°) in der Coolingbox
Modul Test in Wien ARC Auslese System: front-end adapter; ARC board; PCMIO interface card; LED Emitter 1. Modul ARCs Test (Testbox) Thermal Cycle (-15° bis +30°) in der Coolingbox 2. Modul ARCs Test Reparatur wenn notwendig (Pinholes, Shorts, Saturated Channels, bad IV, …) + wiederholter Modul Test Versendung zu den Petals Integration Centern

14 Qualität der TEC Module
Produzierte Module: 7228 Anzahl der Module außerhalb der Spezifikationen I(450V) > 10 muA / Sensor 31 (0,43%) 1 Sensor Modules: 2876 Faulty 12 (0,42%) 2 Sensor Modules: 4352 19 (0,44%) # bad channels > 2% 57 (0,79%) Modules with 4 APVs: 4589 faulty 35 (0,76%) Modules with 6 APVs: 2639 22 (0,83%) Anzahl der schlechten Streifen auf guten Modulen 8263 (0,2 %) von

15 (nach Montage auf Petals und Reparaturen)
Finale Statistik Finaler Status TEC (nach Montage auf Petals und Reparaturen) # of modules assembled 7228 total good 6761 (93,54%) total bad 467 (6,46%) TEC needed 6400

16 Defekte Module nach Abschluss der Produktion
Bei der Montage auf Petals wurde viele Module beschädigt größte Fehlerquellen: Hauptteil: TOUCHED BONDS – teilweise reparierbar zerbrochene Sensoren zerkratzte Sensoren Feuchtigkeitsprobleme – teilweise behebbar ARC-Tests mit falschen (veralteten) Cuts – behebbar gebrochen Rahmen … → ein sehr großer Aufwand musste betrieben werden, um die Module zu reparieren oder zumindest die Sensoren (wenn möglich) zu retten – Koordination von Wien → Sensor Recycling in Wien → Wien entwickelte sich zum Repair-Center

17 Finale Aufteilung der defekten Module

18 Modul Petals back side Petal Vergrößert R6 R4 R2 front side Petal Für TEC werden 288 Petals in 8 verschiedenen Geometrien benötigt! R1 R3 R5 R7

19 TEC Trotz allen Hürden werden in TEC nur 0,2% von über 4 Millionen Auslesekanäle schlecht sein. Erste Auslesetests mit Hilfe von kosmischen Myonen liefen perfekt.

20

21 Modul Tests – Noise Dec Inv Off
aus Kalibrationspuls gemittelt über alle TEC Module: 1 ADC-Count entspricht ca. 770e- typische noise Kurve eines Moduls